보고서 정보
주관연구기관 |
전남대학교 Chonnam National University |
연구책임자 |
백경환
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2017-11 |
과제시작연도 |
2016 |
주관부처 |
과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
연구관리전문기관 |
한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
등록번호 |
TRKO201800003110 |
과제고유번호 |
1711043090 |
사업명 |
개인연구지원 |
DB 구축일자 |
2018-04-14
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키워드 |
멜라토닌.2-하이드록시멜라토닌.3-하이드록시멜라토닌.엽록체.형질전환벼.벼.트립토판.세로토닌.트립타민.melatonin.2-hydroxymelatonin.Cyclic 3-hydroxymelatonin.chloroplasts.transgenic rice.rice.serotonin.tryptophan.tryptamine.
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201800003110 |
초록
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연구의 목적 및 내용
식물에서 steady-state 멜라토닌 함량을 조절하는 멜라토닌 분해 관련 유전자를 클로닝하고, 이들 멜라토닌 분해관련 유전자의 과다 및 억제발현을 통한 멜라토닌 결핍 및 증대 형질전환벼를 육성하여, 멜라토닌 증대 기능성작물을 육성하고, 멜라토닌의 식물 내 기능을 규명하고자 한다.
연구결과
본 연구자는 멜라토닌 분해에 2-oxoglutarate-dependent dioxygenase(2-ODD)가 관여함을 확인하여, 벼에 존재하는 100 여 개의 2-ODD gene fam
연구의 목적 및 내용
식물에서 steady-state 멜라토닌 함량을 조절하는 멜라토닌 분해 관련 유전자를 클로닝하고, 이들 멜라토닌 분해관련 유전자의 과다 및 억제발현을 통한 멜라토닌 결핍 및 증대 형질전환벼를 육성하여, 멜라토닌 증대 기능성작물을 육성하고, 멜라토닌의 식물 내 기능을 규명하고자 한다.
연구결과
본 연구자는 멜라토닌 분해에 2-oxoglutarate-dependent dioxygenase(2-ODD)가 관여함을 확인하여, 벼에 존재하는 100 여 개의 2-ODD gene family 중에 멜라토닌 분해에 관여하는 유전자를 “targeted cDNA 이종발현 기법”을 통해 de novo 클로닝하고, 유전자의 기능을 검정하였다. 구체적인 연구결과는 아래와 같다.
1) 벼에서 멜라토닌 분해 관련 2-oxoglutarate-dependent dioxygenase(2-ODD) 유전자를 클로닝하였고, 이 유전자가 멜라토닌을 2-hydroxymelatonin (M2H) 으로 대사함을 규명하였다.
2) 멜라토닌 대사에 관여하는 4 종의 M2H 유전자의 세포내 발현위치를 mCherry 형광을 통해 조사하여 본 결과, 3종의 M2H 단백질은 세포질에서 발현되고, 한 종의 M2H 단백질은 엽록체에 발현됨을 확인하였다. 이와같은 결과는 멜라토닌의 생합성이 엽록체와 세포질에서 일어나는 사실과 일치하는 결과를 보여 주었다.
3)16 family에 속하는 24종의 식물체 잎으로부터 멜라토닌 함량과 2-hydroxymelatonin 함량을 LC-MS/MS 로 정량하였다. 대부분의 식물체 잎에서 멜라토닌 함량은 생체 g 중량당 1 ng 이하로 존재하였다. 비록 무우잎 과 화란국화 잎에서는 3.5에서 3.3 ng 으로 정량되어 다른 식물체 잎 보다 높은 멜라토닌 함량이 존재함을 알 수 있었다.
4) 동물에서 멜라토닌은 hydroxy radicals 과의 상호작용에 의하여 cyclic 3-hydroxymelatonin (3-OHMel)를 생성하는 것으로 알려져 있다. 동물에서 3-OHMel 의 동정은 식물에서도 동일하게 존재할 것으로 예측되어, OH 그룹을 첨가하는 반응에 관여하는 2-ODD 벼 유전자 35 종을 발현하는 재조합 2-ODD 단백질을 이용하여, 멜라토닌을 첨가한 후, 3-OHMel을 생성하는 효소를 스크리닝하여, 총 3종의 재조합 2-ODD 단백질이 3-OHMel을 생합성하는 것으로 확인하여 식물에서 최초로 melatonin 3-hydroxylase 유전자를 클로닝하였다.
5) 멜라토닌 생합성은 트립토판에서 세로토닌까지 높은 활성으로 생합성 되지만, 세로토닌에서 멜라토닌 경로는 효소활성 능력이 크게 저하되어, 궁극적으로 매우 적은 량의 멜라토닌이 생합성 되게 된다. 세포내의 다양한 소기관에서 멜라토닌 전구체가 생합성 되는데, 세포질, 소포체, 엽록체 등이며, 이와 같은 다양한 소기관에서는 기질 생성은 최종적인 멜라토닌 생합성의 촉진 혹 저해하는 기능을 하는 것으로 추정된다. 멜라토닌의 함량은 최종적으로 이들 생합성 효소와 분해 효소의 평형에 의해 매게 된다.
연구결과의 활용계획
○ 세계최초로 멜라토닌 분해 유전자 클로닝 및 특성 규명.
○ 멜라토닌 증대 작물 개발의 유전자원으로 활용.
○ 멜라토닌 증대 건강기능성작물 개발로 통한 국민 건강 증진.
○ 유전자의 특허 등록 및 농산물 산업화 기술 증진.
(출처 : 요약문 5p)
Abstract
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Purpose & contents
This study is to clone de novo the 2-ODD genes, which is involved in melatonin degradation in plants by using the targeted cDNA expression strategy. By employing the 2-ODD genes, we generate the transgenic rice plants which overproduce or reduce melatonin in plants. The mel
Purpose & contents
This study is to clone de novo the 2-ODD genes, which is involved in melatonin degradation in plants by using the targeted cDNA expression strategy. By employing the 2-ODD genes, we generate the transgenic rice plants which overproduce or reduce melatonin in plants. The melatonin-rich rice will serve as a nutritional rich food for protecting a series of degenerative diseases. The melatonin deficient rice will provide a good tool to dissect a role of melatonin in plants.
Result
1) M2H cloning: To clone the genes responsible for melatonin metabolism, we ectopically expressed 35 full-length cDNAs of rice 2-oxoglutarate-dependent dioxygenase (2-ODD) in Escherichia coli and purified the corresponding recombinant proteins. In vitro 2-ODD assays showed four independent 2-ODD proteins that were able to catalyze melatonin into 2-hydroxymelatonin, exhibiting melatonin 2-hydroxylase (M2H). These M2H proteins had peak activities at pH 8.0 and 30°C. The Km ranged from 121 μM to 371 μM with the Vmax ranging from 1.7 to 18.5 pkat/mg protein,respectively. The M2H enzyme activities were dependent on cofactors such as α-ketoglutarate, ascorbate, and Fe2+, similar to the 2-ODD enzymes. M2H activity was inhibited by prohexadione-Ca, aninhibitor of 2-ODD,in ad ose-dependent manner. M2H activity was high in the roots of rice seedlings, concurrent with high transcription levels of 2-ODD 21.
2) Predominance of 2-hydroxymelatonin over melatonin in plants: we selected 24 plant species belonging to 16 families and quantified the levels of melatonin and 2-hydroxymelatonin using liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). The average ratio of 2-hydroxymelatonin to melatonin in plants was approximately 368:1 indicating that the accumulation of 2-hydroxymelatonin predominates over that of melatonin.
3) Coordinated regulation of melatonin synthesis and degradation genes in rice leaves in response to cadmium treatment: The Cd-induced synthesis of melatonin coincided with the increased expression of melatonin biosynthetic genes including tryptophan decarboxylase (TDC), tryptamine 5-hydroxylase (T5H), and N-acetylserotonin methyltransferase (ASMT). However, the expression of serotonin N-acetyltransferase (SNAT), the penultimate gene in melatonin biosynthesis, was downregulated, suggesting that melatonin synthesis was counter-regulated by SNAT. Notably, the induction of melatonin biosynthetic gene expression was coupled with the induction of four melatonin 2-hydroxylase (M2H) genes involved in melatonin degradation, which suggests that genes for melatonin synthesis and degradation are coordinately regulated.
Expected Contribution
Various genes encoding for melatonin metabolism can be utilized for melatonin regulation of plants in which melatonin can be enhanced by suppression of these metabolite genes as well as melatonin-deficient plants were generated by overexpression of these metabolic genes shedding light on the functions of melatonin.
(출처 : SUMMARY 6p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 목차 ... 3
- 연구계획 요약문 ... 4
- 연구결과 요약문 ... 5
- 한글요약문 ... 5
- SUMMARY ... 6
- 연구내용 및 결과 ... 7
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 8
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 9
- 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 21
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 22
- 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 22
- 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 23
- 8. 참고문헌 ... 23
- 9. 연구성과 ... 26
- 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 29
- 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 29
- 12. 기타사항 ... 32
- 별첨1 대표적 연구실적 요약문 ... 33
- 별첨2 세부 목표 관련 증빙 ... 48
- 끝페이지 ... 51
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